電動汽車輪轂電機(jī)散熱規(guī)律

江從喜 趙蘭萍 苗露 楊志剛

摘要：

采用計(jì)算流體力學(xué)方法對電動汽車輪轂電機(jī)的散熱規(guī)律進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得到整車流場下各電機(jī)的表面溫度、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，各車輪的空氣質(zhì)量流等參數(shù)的分布及變化規(guī)律。結(jié)果表明：前輪電機(jī)受前端散熱模塊影響較大；右前輪電機(jī)外殼溫度高于左前輪電機(jī)和后輪電機(jī)；前輪電機(jī)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯大于后輪。隨著車速的增加，產(chǎn)生較多的冷卻氣體，電機(jī)表面散熱情況有所好轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：

電動汽車； 輪轂電機(jī)； 計(jì)算流體力學(xué)； 傳熱系數(shù)； 散熱規(guī)律

中圖分類號： U469.72；U463.343

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Heat dissipation law of electric vehicle in-wheel motor

JIANG Congxi1，2a， ZHAO Lanping1，2， MIAO Lu1，2a， YANG Zhigang1，2，3

（1. Shanghai Key Lab of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems， Shanghai 201804， China；

2. a. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center； b. School of Mechanical Engineering， Tongji University，

Shanghai 201804， China； 3.COMAC Beijing Aeronautical Science & Technology Research Center， Beijing 102211， China）

Abstract：

Computational fluid dynamics method is used to simulate the heat dissipation law of in-wheel motor of electric vehicle. The heat transfer coefficient and temperature of each motor surface are obtained as well as distribution and variation of the air mass flow of each wheel. The results show that， the front wheel motor is greatly affected by front-end heat dissipation module； the shell temperature of the right front wheel motor is higher than that of the left front wheel and rear wheel motor； the surface heat transfer coefficient of the front wheel motor is obviously bigger than that of the rear wheel. With the increase of speed， more cooling gas is produced， and the surface heat dissipation of the motor is improved.

Key words：

electric vehicle； in-wheel motor； computational fluid dynamics； heat transfer coefficient； heat dissipation law

收稿日期： 2017-05-25

修回日期： 2017-10-16

基金項(xiàng)目：

上海市地面交通工具風(fēng)洞專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺項(xiàng)目（16DZ2290400）

作者簡介：

江從喜（1991—），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向?yàn)槠嚐峁芾砑捌嚳諝鈩恿W(xué)，（E-mail）congxijiang0410@163.com；

趙蘭萍（1967—），女，上海人，副教授，博士，研究方向?yàn)槠嚐峁芾砑傲鲃訐Q熱，（E-mail）lanping.zhao@sawtc.com

通信作者：

楊志剛（1961—），男，遼寧鞍山人，教授，博士，研究方向?yàn)榭諝鈩恿W(xué)及熱管理，（E-mail）zhigang.yang@sawtc.com

0 引 言

電動汽車的驅(qū)動電機(jī)可直接安裝在驅(qū)動輪上，各電動輪的驅(qū)動力獨(dú)立可控，既靈活又方便，有利于提高車輛在惡劣路面條件下的行駛性能和主動安全性能。[1]然而，傳統(tǒng)汽車的前圍和輪包結(jié)構(gòu)不能很好地滿足這種分布式驅(qū)動電機(jī)輪邊驅(qū)動和制動系統(tǒng)的通風(fēng)散熱要求。如果電機(jī)的通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)不合理，電機(jī)溫度就不能保持在合理的范圍內(nèi)，導(dǎo)致電機(jī)性能下降，甚至造成電機(jī)的損毀。因此，對電動汽車輪轂電機(jī)通風(fēng)散熱條件及散熱規(guī)律的研究，是分布式驅(qū)動電動汽車電機(jī)熱管理急需解決的關(guān)鍵問題之一。

國內(nèi)外對電動汽車電機(jī)熱特性進(jìn)行過大量研究。在國外：DEMETRIADES等[2]用熱網(wǎng)格法對額定轉(zhuǎn)速為3 560 r/min的電機(jī)進(jìn)行研究，采用Simulink建立實(shí)時(shí)模型，將實(shí)驗(yàn)采集到的電子數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入到模型中計(jì)算損耗和溫度；JIH等[3]建立混合動力車電機(jī)熱管理系統(tǒng)計(jì)算流體力學(xué)模型，用模擬手段指導(dǎo)車輛設(shè)計(jì)。在國內(nèi)：楊金霞等[4]對一臺30 kW的無刷直流電機(jī)的二維溫度場進(jìn)行仿真和分析，并與其試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對研究降低電機(jī)溫升有一定實(shí)用價(jià)值；劉偉亮等[5]對采用電磁場量計(jì)算電機(jī)損耗的方法以及采用熱路和熱場計(jì)算電機(jī)溫升進(jìn)行研究?，F(xiàn)有研究成果都是在單電機(jī)、假設(shè)電機(jī)各表面的來流為均勻氣流、速度與車速相等的情況下完成的，針對電機(jī)在整車環(huán)境下的溫度場研究很少。

在整車行駛條件下，考慮內(nèi)流和前端模塊熱源的影響，本文對前、后4個(gè)輪轂電機(jī)的散熱規(guī)律進(jìn)行研究和分析，為輪轂電機(jī)熱管理提供依據(jù)。

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)散熱

在電動汽車行駛過程中，輪轂電機(jī)會向外界散發(fā)熱量：一部分熱量通過對流散熱由空氣帶走；一部分熱量以熱傳導(dǎo)的方式通過連接軸和電機(jī)與車輪連接部件帶走；輻射散熱所占比例很小可忽略不計(jì)[6]；剩余部分熱量產(chǎn)生電機(jī)溫升。對流散熱的氣流由電動汽車內(nèi)流和外流共同組成，前方來流經(jīng)過進(jìn)氣格柵，一部分經(jīng)過前端冷凝器和散熱器變成高溫冷卻氣體，從前輪后部和底盤流向車尾，另一部分氣體繞過車身，從前輪外部流進(jìn)車輪，形成外流冷卻氣體。輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)熱分析示意見圖1。

圖 1 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)熱分析示意

在電動汽車行駛過程中，輪轂電機(jī)是電動汽車的主要熱源，其工作時(shí)所產(chǎn)生的損耗將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使電機(jī)溫度升高。輪轂電機(jī)MAP圖見圖2，其主要反映不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的輪轂電機(jī)效率分布，并可得到輪轂電機(jī)的熱源損耗值。

圖 2 輪轂電機(jī)MAP圖

前方來流流進(jìn)進(jìn)氣格柵，經(jīng)過前端冷凝器和散熱器時(shí)變成高溫冷卻氣體。熱交換器壓降曲線[7]見圖3。

圖 3 熱交換器壓降曲線

2 計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法

采用HyperMesh劃分整車面網(wǎng)格，見圖4。由于電動汽車的輪邊結(jié)構(gòu)及電機(jī)較為復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。整車計(jì)算域設(shè)置為14倍車長、10倍車寬、5倍車高（見圖5）[8]，尺寸為62 m×14 m×7.5 m，整車的體網(wǎng)格數(shù)量約為1 200萬個(gè)。

采用有限體積法對通用控制方程進(jìn)行離散，壁面采用非平衡壁面函數(shù)，湍流模型選用高雷諾數(shù)的

k-ε兩方程模型，離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，空間離散格式為2階迎風(fēng)格式。風(fēng)扇設(shè)置采用多參考坐標(biāo)系（multiple reference frame，MRF）方法。車輪和輪轂電機(jī)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，地面設(shè)為移動壁面，其他固體壁面均設(shè)為光滑、無滑移、不可穿透的壁面。計(jì)算域入口為速度入口，計(jì)算域出口為壓力出口?？紤]流固耦合傳熱，環(huán)境溫度為300 K，在FLUENT中設(shè)置電機(jī)各部分的材料物性參數(shù)后，運(yùn)用流場和溫度場耦合的方式進(jìn)行計(jì)算。

圖 4 整車面網(wǎng)格

圖 5 計(jì)算域

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 前艙流場

輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)緊貼制動器熱源。由于輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，很難采用水冷方式散熱，因此目前仍采取風(fēng)冷散熱方式。[9]

以電動汽車50 km/h等速巡航的工況為例，研究輪轂電機(jī)電動汽車前艙流場情況，前艙水平中截面流線與速度流場分布見圖6。由此可知，冷卻氣流流經(jīng)前端冷卻模塊后，在風(fēng)扇抽吸作用下加速，經(jīng)過風(fēng)扇排出的氣流直接吹向電控設(shè)備，帶走散熱器的大部分熱量。由于前艙結(jié)構(gòu)不對稱，氣流流向右側(cè)更多，流經(jīng)區(qū)域的溫度較高，因此前艙左、右輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的溫度場也不對稱。

圖 6 前艙水平中截面流線與速度場分布

前艙水平截面溫度場與流線分布見圖7。經(jīng)過前端冷卻模塊的氣體溫度達(dá)到355 K左右，左、右前輪的電機(jī)和制動器等部件的溫度場差異較明顯，右側(cè)最高溫度比左側(cè)高10 K。從圖7b）中可以看出，受電控元件的阻擋，其后面區(qū)域的空氣流速變慢，導(dǎo)致溫度升高，高溫氣體直接吹向右輪的輪邊驅(qū)動系統(tǒng)。由此可見，合理布置前艙部件，盡量使高溫冷卻氣體從底盤流出，減少其對電機(jī)溫度的影響十分重要。

圖 7 前艙水平截面溫度場與流線分布，K

3.2 輪轂電機(jī)外表面溫度場對比

左前輪電機(jī)外殼溫度分布見圖8。輪轂電機(jī)表面的最高溫度為318 K，發(fā)生在與電機(jī)軸平行的側(cè)面外殼處，此處最接近熱源，溫度最高；外殼內(nèi)側(cè)中心溫度最低，為310 K，從中心向邊緣逐漸升高。

圖 8 左前輪電機(jī)外殼溫度分布，K

風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)以及前艙布置的不對稱，使得經(jīng)過前端冷卻模塊的高溫氣流不均勻地流向左、右前輪，因此左、右電機(jī)溫度分布產(chǎn)生較大差異。右輪電機(jī)外殼最高溫度為328 K，比左輪高10 K，分布規(guī)律基本相同。右前輪電機(jī)外殼溫度分布見圖9。

圖 9 右前輪電機(jī)外殼溫度分布，K

左、右后輪電機(jī)外殼溫度分布分別見圖10和11。由此可知：左、右后輪電機(jī)外殼溫度差異不大，考慮計(jì)算誤差，兩者溫度變化可認(rèn)為基本一致。前、后輪電機(jī)表面溫度對比見表1，后輪電機(jī)表面最高溫度為323 K，略高于左前輪最高溫度（318 K），低于右前輪最高溫度（328 K）。

圖 10 左后輪電機(jī)外殼溫度分布，K

圖 11 右后輪電機(jī)外殼溫度分布，K

表 1 前、后輪電機(jī)表面溫度對比

K

從流場通風(fēng)散熱情況來看，由于前輪電機(jī)附近表面空氣流速高于后輪，通風(fēng)散熱條件更好，因此左前輪電機(jī)表面溫度低于后輪。受前艙高溫冷卻氣體的影響，右前輪電機(jī)散熱情況最差，表面溫度最高。

3.3 在不同車速下各車輪的空氣質(zhì)量流量變化

在不同車速下，前輪左、右電機(jī)表面的最高溫度相差不大，但在低速階段，右輪電機(jī)溫度比左輪電機(jī)溫度略高；左后輪與右后輪溫度場分布基本一致。由于后輪表面空氣流速較低，電機(jī)外殼上的熱量無法及時(shí)被空氣帶走，因此后輪電機(jī)外殼的溫度一直高于左前輪電機(jī)外殼溫度，低于右前輪電機(jī)外殼溫度。雖然前輪電機(jī)表面空氣流速高，但氣流溫度相對較高，不利于電機(jī)內(nèi)部的熱量散出。

從車輪外部進(jìn)入前艙的冷卻氣流對電機(jī)的通風(fēng)散熱有重要影響，在理想情況下，進(jìn)氣量越大，對散熱越有利。在不同車速下車輪橫向空氣質(zhì)量流量見圖12，可以看出，右前輪空氣流量最大。前端內(nèi)流是高溫氣體，大部分流向右前輪，使得右前輪電機(jī)溫度高于左前輪電機(jī)溫度。左前輪與左后輪的空氣流量在低速時(shí)相差不大。隨著車速的增加，受內(nèi)流的影響，左前輪的進(jìn)氣量明顯增加。由此可見，內(nèi)流對輪邊流場和熱管理有重要影響。[10]

圖 12 在不同車速下車輪橫向空氣質(zhì)量流量

在電動汽車車身造型設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量使電動汽車前方來流向前輪靠攏，增加進(jìn)氣量?？梢栽谄嚽岸碎_孔，引氣流流向電機(jī)表面；也可以優(yōu)化輪輻和輪罩的結(jié)構(gòu)，增加輪邊冷卻空氣的進(jìn)氣量。

3.4 前端模塊對輪轂電機(jī)溫度場的影響

分析前端冷卻氣體對前輪電機(jī)的影響程度，以電動汽車50 km/h勻速行駛為工況，將前端冷卻模塊的熱源關(guān)閉，重新計(jì)算整車三維溫度場，并與電機(jī)溫度分布進(jìn)行對比。

在不考慮前端氣流溫度的情況下，右前輪電機(jī)外殼溫度分布見圖13。由此可知，電機(jī)外殼的溫度大大降低，右前輪電機(jī)外殼平均溫度在314 K左右，比考慮前端進(jìn)氣時(shí)低10 K左右，內(nèi)側(cè)外殼也比考慮前端進(jìn)氣時(shí)低10 K左右。在研究輪邊驅(qū)動系統(tǒng)熱管理時(shí)，要充分考慮經(jīng)過前艙的高溫冷卻氣體對前輪電機(jī)的影響。

圖 13 右前輪電機(jī)外殼溫度分布，K

前端冷卻氣體的流速和溫度均會影響前輪電機(jī)的溫度場，在車速為50和100 km/h工況下，前輪水平中截面溫度場分布分別見圖14和15。

圖 14 50 km/h車速下前輪水平中截面溫度場分布，K

圖 15 100 km/h車速下前輪水平中截面溫度場分布，K

從圖14b）可以看出，在車速為50 km/h時(shí)，前

端冷卻氣體對右輪溫度帶來惡劣的影響，高溫氣體從制動器與輪胎之間直接流向輪轂電機(jī)，使得右側(cè)輪邊驅(qū)動系統(tǒng)各部件溫度普遍升高。從圖14a）可以看出，左輪前端氣體直接流向后輪，對前輪影響較小，而在車速提高到100 km/h時(shí)，左、右輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的溫差已經(jīng)減小。

前艙冷卻氣體會使前輪電機(jī)的平均溫度升高。在車速較低的情況下，較多的冷卻氣體使電機(jī)溫度變高，隨著車速的增加，這種影響逐漸降低；在車速較高的情況下，流速成為影響溫度的主要因素，較多的冷卻氣體使電機(jī)表面散熱情況變好。

3.5 輪轂電機(jī)表面散熱規(guī)律

在不同車速情況下，電動汽車電機(jī)產(chǎn)生的損耗不同。隨著車速的增加，損耗會逐漸增大，同時(shí)電動汽車前端進(jìn)氣流量和冷卻氣體的溫度會變化，輪轂電機(jī)表面空氣流速、橫向流過車輪的空氣流量也會發(fā)生變化。溫度場的形成是以上諸多因素綜合作用的結(jié)果。

對流散熱的熱量由圓柱形電機(jī)外殼3個(gè)表面的對流散熱量共同組成。由于在不同車速下不同表面對流散熱量所占比例基本相同，因此取其在不同車速下的平均值分析散熱情況。前輪電機(jī)外殼散熱量分布見圖16。左前輪電機(jī)側(cè)面外殼散熱量最多（占37%），內(nèi)、外側(cè)外殼散熱量相差不大。左、右前輪電機(jī)外側(cè)外殼散熱量均占29%，說明外流對左、右前輪電機(jī)影響相同。由于高溫內(nèi)流冷卻氣體的影響，右前輪電機(jī)內(nèi)側(cè)外殼散熱量低于左前輪電機(jī)。由此可知，內(nèi)流對左前輪電機(jī)影響較小，對右前輪電機(jī)影響較大，左前輪電機(jī)側(cè)面和外側(cè)的散熱量主要受電動汽車外流場影響。

圖 16 前輪電機(jī)外殼散熱量分布

后輪電機(jī)外殼散熱分布見圖17，左、右電機(jī)散熱量分布基本相同。由于左后輪內(nèi)流流速較低，內(nèi)側(cè)外殼和側(cè)面外殼散熱量所占比例分別為30%和25%。外側(cè)外殼散熱量最多，左、右輪電機(jī)外側(cè)外殼散熱量分別占34%和33%。由此可知，前輪輪邊系統(tǒng)會降低氣流對后輪的影響，右前輪氣流量更大，溫度更高，導(dǎo)致右后輪外側(cè)散熱條件比左后輪差。因此，外流是影響后輪電機(jī)散熱的主要因素。

圖 17 后輪電機(jī)外殼散熱分布

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小取決于流體的物性，換熱表面的形狀、大小和布置，與流速也有密切關(guān)系。在整車行駛情況下，在不同車速時(shí)電機(jī)各表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)見圖18～21。

圖 18 左前輪電機(jī)各表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

圖 19 右前輪電機(jī)各表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

圖 20 左后輪電機(jī)各表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

圖 21 右后輪電機(jī)各表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

前輪電機(jī)側(cè)面外殼表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，外側(cè)外殼表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最小，右前輪電機(jī)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)低于左前輪電機(jī)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。內(nèi)側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)后輪最大，側(cè)面最小。在不同車速下，左、右兩輪表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)差

別不大，后輪受前艙氣流影響小，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對流散出熱量越大，溫度越低。

4 結(jié) 論

采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真模擬方法，對整車條件下的電動汽車輪轂電機(jī)的散熱特性進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）外流對左、右輪電機(jī)散熱影響相同；內(nèi)流對左前輪散熱影響較小，對右前輪散熱影響較大；外流是影響后輪電機(jī)散熱的主要因素。

（2）經(jīng)過前端冷卻模塊的高溫氣流不均勻地流向左、右前輪，流向右前輪較多，從而使左、右電機(jī)溫度分布產(chǎn)生較大差異。右前輪電機(jī)外殼平均溫度比左前輪電機(jī)外殼平均溫度高10 K左右，后輪左、右電機(jī)的溫度差異不大。左前輪電機(jī)外殼溫度低于后輪電機(jī)外殼溫度，但受前端氣流影響嚴(yán)重的右前輪電機(jī)外殼溫度高于后輪電機(jī)外殼溫度，前輪電機(jī)各表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯大于后輪表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

（3）前艙冷卻氣體前輪電機(jī)的平均溫度升高。在車速較低的情況下，冷卻氣體使電機(jī)溫度變高，然而隨著車速的增加，這種影響逐漸降低；在車速較高的情況下，流速成為影響溫度的主要因素，較多的冷卻氣體使電機(jī)表面散熱情況變好。

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